基于BIM技術的高速公路運維管理研究

劉盼盼

摘 要：高速公路一直以來是我國基礎建設的重要組成部分，其中高速公路的運維管理是運營階段的基礎保障，而基于BIM技術的高速公路運維管理研究，是在我國公路交通行業數字化發展大背景下的新興技術，是一種高效的項目管理工具。通過分析當前高速公路運維管理階段的優缺點，結合現有BIM技術的可視化、數字化和模擬化的特點，根據兩階段施工設計圖和實地概況，從蘭海高速公路臨洮至渭源段三維建模應用分析、實現各模塊的信息管理、采用BIM技術+智慧圖紙的共享應用模式、可視化交通流量動態模擬和深化設計等方面著手研究，進一步優化高速公路全生命周期主線左右幅、附屬基礎、通道、橋涵、隧道和標志標線的運維管理模式，改善在高速公路運維管理過程中以人工為主的檢查、巡視和維護的傳統模式，來提高運維管理效率，節約人力物料，也為全國高速公路網的快速發展和運維管理提供參考性的創新和見解。

關鍵詞：BIM技術 運維管理 智能模擬 高速公路 可行性方案

1 引言

蘭州至海口高速公路簡稱蘭海高速公路（代號：G75），是連接甘肅省蘭州市和海南省海口市的高速公路，起于甘肅省蘭州市七里河區晏家坪東街，終于海南省海口市秀英區海口港，全長2570公里，是一條縱貫中國西部地區南北兩端的重要國家高速公路，途經蘭州-臨洮-渭源-隴南-廣元-南充-武勝-重慶-綦江-遵義-貴陽-都勻-河池-南寧-欽州-北海-湛江-海口等城市[1]。

蘭海高速公路臨洮至渭源段，起于臨洮縣曹家溝，順接蘭臨高速公路，位于黃土高原區隴中《隴西》黃高原亞區，地處隴西黃土高原西南邊緣的跳河、渭河分水嶺，縱跨黃河流域，地勢西北高東南低，地形相對復雜，有山梁、溝谷、川臺地。途經玉井、會川，止于渭源縣路園鎮，全長62.666公里，主要涉及的設施有橋梁、隧道、通道橋、涵洞、邊坡、排水溝和標志標線等。是蘭州至海口國家高速公路的重要組成路段，是蘭州市的又一東出口公路，是建設國家高速公路網和實施西部大開發戰略的需要，也是鞏固甘肅中部貧困地區經濟發展基礎，加速小康和諧社會建設的需要，推動甘肅旅游經濟發展，促進馬鈴薯、中藥材等區域資源優勢向經濟優勢的轉化的需要[2]。

2 BIM技術概念和內涵

BIM作為一種數據化工具由Autodesk公司提出，能將建筑信息綜合集成起來，在建筑工程的設計和管理等方面發揮出巨大的作用，可以在工程項目整個生命周期中將相關數據互相傳遞和共享，為項目參與人員更加了解和應用項目中的各種信息。BIM技術即建筑信息模型（Building Information Modeling），這種建筑模型是以建筑工程項目的各項有關信息作為模型并以此為基礎進行建筑模型建設。這類模型其實質就是利用數字信息來進行仿真，模仿建筑物建設過程，并模擬其中的相關確定的信息，這類建筑模型具有可視化、可調整、可模擬、可優化和可出圖這五個特性。

當前，國內BIM技術的應用范圍不斷擴大，從施工設計到建筑過程，再到智能模擬，每一個階段都是在不斷成熟的過程。隨著中國式現代化進程的加快，大數據時代也將進入斑斕的快節奏，但對于BIM技術在高速公路運維管理的應用卻相對缺乏，相關的文獻資料也較少，這樣的現狀不利于高速公路運維管理的創新發展，阻礙BIM技術生根于高速公路運維管理行業，對此基于BIM技術的高速公路運維管理研究顯得尤為重要。

3 研究思路

針對高速公路運維管理研究，以高速公路可視化、數字化和模擬化為研究理念。主要包含的項目有路基工程、橋涵工程、白塔大橋487.5m/1座和渭源隧道994m/1座。比如在路基工程項目中采用雙向四車道的形式，平曲線最小半徑700米，最短坡長400米，最大縱坡4%等，根據這些數據創建蘭海高速公路臨洮至渭源段三維模型，而在創建模型過程中主要涉及到的軟件模塊有地形創建模塊、三維建模模塊和動態漫游模塊。從地形的創建到三維模型的繪制，到項目模塊信息化管理和深化設計，再到動態可視化模擬，貫穿于整個全生命項目建筑周期，為本文所研究的主要內容提供理論依據，將研究理念和設計成果有效結合，以不同的角度層次敘述高速公路運維管理可行性方案。

4 BIM技術在高速公路運維管理中的應用

4.1 應用BIM技術創建高速公路三維可視化模型

在高速公路建模之初，拍攝衛星圖，應用地形繪制軟件導出自然高程和設計高程，從而生成三維地形曲面，真實反映該地區的地形概況，再依據兩階段施工設計圖提取所需建模參數，包括交點樁號，轉彎半徑，圓、緩和曲線、直線段長以及緩和曲線參數。利用路易2022—BIM道路設計系統的道路設計功能，設置建模參數，并采用曲線法完成路線設計，再轉換成3D模式即可生成過路基、路塹和半填半挖的路基，后續的附屬基礎、通道、橋涵、隧道和標志標線都將以此為基礎創建。

在創建的線路基礎上，依據兩階段施工設計圖所包含橋梁、隧道、通道橋、涵洞和標志標線的尺寸參數，在路易2022—BIM道路設計系統的附屬設施功能區依次創建，生成與實況高速公路等觀的三位可視化模型，同時增設與研究內容關聯的車型、時速和車流量、各種警示牌和標志標線，為后期的可視化運維管理研究、模塊化信息管理、深化設計、交通流量模擬和BIM技術+智慧圖紙共享應用的研究提供技術支持和應用分析[4]。

通過本文所闡述的研究理念與三位可視化模型以及智能動態模擬作對比，能更直觀清楚BIM技術在高速公路運維管理階段的實用性，進一步推進BIM技術應用到公路交通行業。

4.2 應用BIM技術實現高速公路的信息管理

在應用BIM技術實現各模塊的信息管理中，以蘭海高速公路臨洮至渭源段白塔大橋為例。依據兩階段施工設計圖中所包含的橋梁上部和下部結構參數，進而創建等觀的三維可視化模型，該模型將以數字形式保存于路易2022-BIM道路設計系統移動終端，也可以隨時共享給其他相關工作人員，見圖1。

在高速公路橋梁監測評估方面，主要包括橋梁結構、材料和承載能力的檢查，經過對橋梁結構的紅外線位移目測和超聲波探測檢查之后，通過橋梁三維可視化模型的各項參數來評估橋梁是否受重力而結構變形，能有效提高項目的整體管理水平，其三維可視化的查看形式，能有效避免復查二維平面圖復雜難懂的數據信息，進一步優化大量數據信息的準確度和信息調度耗時，優化系統構架，為高速公路橋梁設計、養護與運營等綜合管控系統的推進提供幫助，保障高速公路橋梁運維管理的長期穩定使用。

在橋梁定期巡檢匯報方面，汛期中需要對橋梁進行定期巡檢，來觀測橋梁整體狀態，以及周邊環境安全。而在橋梁巡檢后的總結匯報中，可以應用三維可視化模型和周邊地形曲面概況的三維立體查看功能，更加清楚展示橋梁整體結構和周邊環境的平穩狀態，彌補文字論述和照片取景的不足。

4.3 應用BIM技術模擬高速公路交通流量

BIM技術模擬車流量是一種非常具有前景的應用，比傳統利用公式計算車流量更具有智能性和準確性。當蘭海高速公路臨洮至渭源段三位可視化模型創建完成之后，即可繪制道路各種標志標線和警示牌，再應用路易2022—BIM道路設計系統的交通流量功能放置不同的車型、時速和安全間距，以此來模擬車流量，從而更加直觀體現高速公路的擁堵情況，以及判斷連續下坡和轉彎時的車輛狀態，以此來科學合理設置各種警示牌，幫助交通運營部門更加準確的制定交通計劃和交通管理[5]。

另一方面，應用BIM技術的車流量模擬功能，還可以通過數字化的方式展示高速公路水平面的高度差和其他立體空間信息，這樣公路護養單位就可以根據高度差數據和其他公路立體空間信息來改善高速公路平順度，以不斷提升駕駛人員的體驗感，提高高速公路通行效率。

4.4 應用BIM技術深化高速公路設施設計設計

BIM技術的深化設計是本文研究地形曲面土方檢算的基礎，從地形圖自然高程和設計高程的創建，到橋梁周圍汛期安全環境的卡控，都是深化設計的運維管理理念。利用繪制的地形圖不僅可以直觀地形全貌，還可以對特殊路段邊坡土方的體量進行計算，分析土方在重力與下表層摩擦力的平衡狀態，判斷路段邊坡在汛期降雨增多導致滑坡的可能性，避免災害事故的發生。

在高速公路運維管理方面，采用BIM技術+智慧圖紙式共享應用能在定期業務培訓和工作等方面提供便利。將三維可視化模型生成全方位動態圖，以二維碼或者軟件發送的形式分享給其他相關工作人員，這樣就可以不用到現場碰面實現業務交流；在高速公路運營單位定期業務培訓中，為了提高業務培訓的質量，采用BIM技術+智慧圖紙的模式，這樣就可以把現場項目數據和培訓內容有效結合，有助于理解培訓的內容，提高從業人員的業務技能水平[6]。

5 主要創新點

（1）充分利用BIM技術的可視化特點，將蘭海高速公路臨洮至渭源概況以三維的形式展示出來，通過建筑模型信息參數，工作人員在室內或者外地出差就能通過手機或電腦共享的三維畫面全面核查項目中各橋梁、隧道和涵洞等建筑設施的運行狀態是否異常，也能防止重要信息資料的丟失。同時，借助三維功能對建筑設施內部隱蔽工程的配筋、結構斷面形式和材料屬性進行驗查，用來判定建筑結構是否發生變形，見圖2。

（2）在高速公路涉及到車流量、標志標線和標識牌等規劃設計方面，利用BIM技術的動態模擬功能，能有效彌補二維圖紙和文字公式在模擬分析方面的不足。在蘭海高速公路臨洮至渭源段三維模型的基礎上放置標志標線以及放置不同時速和車型的車輛來模擬運營時的高速公路通行能力，通過觀察連續下坡、轉彎和隧道橋梁的通行狀態，來制定科學合理的標志標線、標識牌和設計時速。

（3）利用BIM技術的深化設計特點，能對路段周邊的環境風險加以管控和預估，尤其在汛期來臨時，路基坡腳區域由于植被缺乏容易出現滑坡現象，而利用BIM技術的土方體量驗算功能，就可以智能分析土方重力大小與下表層土摩擦力的平衡狀態，提前預防滑坡事故的發生，制定預防方案，也可以對周邊區域作規劃設計，避免擅自超限開發從而影響路基穩定，發生塌方事件。

6 總結語

本文以可視化和智能化為研究理念，基于BIM技術從三維建模分析、模塊化信息管理、采用BIM技術+智慧圖紙的共享應用模式、以及車流量動態模擬和深化設計等方面進行論述。在研究過程中應用動態模擬分析，利用現有技術支持，以及采用類比推理的方法，充分驗證BIM技術在高速公路可視化運維管理的可行性，也將進一步推廣BIM技術在高速公路領域的應用，推進全國高速公路網運維管理高質量發展。

參考文獻：

[1]李沖.BIM技術在公路工程管理中的應用[J].交通世界，2016（17）：94-95.

[2]劉輝.基于BIM技術的高速公路施工安全管理分析[J].交通世界，2016（20）：114-115.

[3]徐高豐，曾娟.BIM技術在公路設計中的應用研究[J].交通世界，2018（33）：80-82.

[4]張萬庭.基于BIM技術的公路路線設計分析[J].人民交通，2018（11）.

[5]李金龍，王欣南，陳中治，望開潘.BIM技術在公路橋梁設計中的應用淺析[J].低溫建筑技術，2019，41（02）：67-69.

[6]張小龍.基于BIM的公路勘察設計與實踐研究[J].交通世界，2018（24）：20-21.